摘 要： 針對(duì)現(xiàn)有的LED大屏幕顯示器需重復(fù)設(shè)計(jì),、成本高等問題，提出了一種模塊化設(shè)計(jì)的LED大屏幕顯示器,，可以實(shí)現(xiàn)靈活配置,、脫機(jī)運(yùn)行、特效顯示等,，并簡(jiǎn)要介紹了其硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能,。
關(guān)鍵詞: LED 大屏幕 模塊 I2C總線
LED大屏幕顯示器由于其醒目、內(nèi)容靈活多變等特點(diǎn),，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于廣告,、信息發(fā)布、交通指示等公共場(chǎng)所,，取得了良好效果,。LED顯示屏主要分為數(shù)碼顯示和點(diǎn)陣顯示兩大類,，本文只討論點(diǎn)陣顯示。目前的LED顯示屏基本上都是先由用戶提出要求,，生產(chǎn)廠家根據(jù)需要訂做,。每次都要重復(fù)設(shè)計(jì)電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)，造成資源浪費(fèi),，而且若用戶的需求改變，改動(dòng)將十分困難,。
實(shí)際上不論顯示屏的大小,，其原理都是相同的，因此完全可以設(shè)計(jì)出一種標(biāo)準(zhǔn)化,、模塊化的LED顯示屏,，針對(duì)不同的需要，只需要簡(jiǎn)單組合相應(yīng)的模塊即可,。本文介紹的就是一種模塊化的LED顯示屏,，可以根據(jù)需要靈活改變大小，并可以脫離計(jì)算機(jī)獨(dú)立運(yùn)行,，還可以實(shí)現(xiàn)如閃爍,、滾動(dòng)顯示等特效。對(duì)整體式顯示屏刷新率不足發(fā)生閃爍的常見問題,，在這個(gè)設(shè)計(jì)中由于被分割成小模塊,，不再成為問題。
1 基本原理
基本的設(shè)計(jì)思路是把整個(gè)顯示屏分成若干相同大小,、相同功能的顯示模塊,，而另外用一個(gè)中央控制模塊控制，同步所有顯示模塊的運(yùn)行,，實(shí)現(xiàn)整體協(xié)調(diào)的顯示,。
所以本系統(tǒng)主要由兩部分組成:顯示模塊和控制模塊。
顯示模塊實(shí)際都是相同大小的小LED驅(qū)動(dòng)板,，能夠驅(qū)動(dòng)LED陣列,，具有基本的顯示功能，并可以接收來自控制模塊的數(shù)據(jù)和命令,，此外一些常用的顯示效果如閃爍,、滾動(dòng)等也包括在顯示模塊中。現(xiàn)有國(guó)標(biāo)點(diǎn)陣漢字庫有16×16和24×24兩種,，考慮到軟件編寫的方便和硬件的能力,，我們把顯示模塊作成16×16點(diǎn)陣大小。
控制模塊負(fù)責(zé)控制各顯示模塊,，向各顯示模塊發(fā)送數(shù)據(jù)和命令,?？刂颇K儲(chǔ)存要顯示的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)信息，定時(shí)向各顯示模塊下傳,?？刂颇K上還帶有小鍵盤和通用異步串行口，既可以用鍵盤操作,，也可以用計(jì)算機(jī)控制,，還可以用計(jì)算機(jī)更新控制模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)。
顯示模塊和控制模塊之間用總線的方式連接,，我們選用了I2C總線,。
整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使應(yīng)用有很大的自由度:控制模塊控制的顯示模塊數(shù)量可以改變，顯示模塊的排列方式也可以改變(如16個(gè)顯示模塊,，既可以是2×8也可以是4×4),，對(duì)同一塊顯示屏可以保存若干條常用信息分別顯示，每條信息的點(diǎn)陣大小可以不同,，超過屏幕大小的信息可以滾動(dòng)顯示出來,。這樣基本可以滿足多種多樣的需求。
2 電路結(jié)構(gòu)
控制模塊的原理如圖1所示,。
采用PIC16C73作為中央控制器,。該單片機(jī)內(nèi)置I2C接口、串行口,，而且具有比較強(qiáng)的口線驅(qū)動(dòng)能力(每根口線25mA),，使用它可以簡(jiǎn)化很多外圍電路。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用兩片EEPROM：X24256共提供64K字節(jié)的數(shù)據(jù)空間,，可以反復(fù)擦除重寫,，掉電數(shù)據(jù)不丟失。如果全部用來顯示16×16點(diǎn)陣的漢字,，可以顯示2000個(gè)左右,。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與各個(gè)顯示模塊共用I2C總線，依靠各自的地址區(qū)分究竟是存儲(chǔ)器還是顯示模塊,。
小鍵盤外接4個(gè)限流電阻直接接到CPU的口線上,，對(duì)鍵盤采用4×4掃描方式。
控制模塊與計(jì)算機(jī)的連接使用RS232串行口,，用一片MAX202做電平轉(zhuǎn)換,。
此外控制模塊還帶有一個(gè)光強(qiáng)度傳感器，其作用是調(diào)節(jié)顯示屏的亮度,。由于白天和夜晚的環(huán)境光強(qiáng)差異很大,，白天覺得合適的亮度到了晚上可能會(huì)很刺眼，因此根據(jù)外界的光強(qiáng)使用這個(gè)傳感器自動(dòng)調(diào)節(jié)顯示屏的亮度,。這里使用的是TI公司的TSL235光頻轉(zhuǎn)換元件,。
顯示模塊的原理如圖2所示,。
每個(gè)顯示模塊要驅(qū)動(dòng)一塊16×16的LED陣列，由于單片機(jī)的口線數(shù)量少,，使用靜態(tài)顯示是不可能的,，這里使用了動(dòng)態(tài)掃描顯示?？紤]到刷新速度的因素,，使用16行掃描刷新可能會(huì)有閃爍，所以使用8行掃描,、32位數(shù)據(jù)的方式,。
每條數(shù)據(jù)線每個(gè)時(shí)刻只對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)光單元，要求電流較小;而當(dāng)顯示屏全開的時(shí)候,，8路共陽極掃描線將會(huì)對(duì)應(yīng)32個(gè)發(fā)光單元，電流要求大,，所以兩端的驅(qū)動(dòng)電路是分別設(shè)計(jì)的,。數(shù)據(jù)線端使用TI公司的4片TPIC6B595。掃描端使用Allegro公司的兩片2944,。
顯示模塊與控制模塊用I2C總線相連,。由于顯示模塊的任務(wù)只是顯示，所以不另外增加存儲(chǔ)器,，只用內(nèi)部的RAM單元保存欲顯示的點(diǎn)陣數(shù)據(jù),，并不停地掃描顯示到LED陣列上。諸如滾動(dòng),、閃爍等顯示效果只是對(duì)顯示數(shù)據(jù)做額外處理,，如滾動(dòng)顯示實(shí)際對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的移位操作。這些功能也編寫在顯示模塊中,，由控制模塊發(fā)送命令激活這些功能,。
此外需說明的是，顯示模塊的驅(qū)動(dòng)電路與LED陣列可以看作分離的兩部分,，只要在驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力范圍內(nèi),，可以使用發(fā)光單元不同的LED陣列，如1個(gè)發(fā)光單元僅為1個(gè)LED的小型顯示牌或者1個(gè)發(fā)光單元包括5~7個(gè)LED的大型顯示牌等,。
3 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件包括三部分:顯示模塊,、控制模塊和PC機(jī)。
顯示模塊的軟件主要包括掃描顯示,、特效處理和I2C通信三部分,。在顯示模塊CPU的RAM中開辟出32字節(jié)作為顯示緩沖區(qū)，掃描顯示程序只是定時(shí)從顯示緩沖區(qū)中取數(shù)據(jù)發(fā)往移位寄存器,，并設(shè)置相對(duì)應(yīng)的掃描線,，實(shí)現(xiàn)一次掃描,。掃描顯示并不識(shí)別緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)是什么。掃描是利用了人眼的圖象滯留效果,，如果掃描頻率達(dá)到60Hz以上,，對(duì)掃描頻率的波動(dòng)就不大敏感了，所以這里的掃描顯示程序沒有使用定時(shí)器中斷,，僅由循環(huán)完成,。
特效處理是指對(duì)掃描緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)做移位的操作，主要對(duì)應(yīng)滾動(dòng)顯示效果,。滾動(dòng)時(shí)每次滾動(dòng)一個(gè)像素行或列,，大部分?jǐn)?shù)據(jù)已經(jīng)存在于顯示模塊中，控制模塊發(fā)送滾動(dòng)命令時(shí)附加兩個(gè)字節(jié)(1行或1列)的新數(shù)據(jù),。由于使用的掃描方式是32×8的方式,，因此數(shù)據(jù)存放并非完全線性，而有跳躍存儲(chǔ)的部分,，加之字符滾動(dòng)顯示有上下左右四個(gè)方向,，要把新來的數(shù)據(jù)移入緩沖區(qū)并移出兩字節(jié)的舊數(shù)據(jù)，因而需要比較繁復(fù)的RAM地址計(jì)算,。
I2C通信是PIC16C73內(nèi)部硬件實(shí)現(xiàn)的功能,，比較簡(jiǎn)單，只用中斷就可實(shí)現(xiàn),。
顯示亮度的調(diào)節(jié)功能是通過調(diào)節(jié)發(fā)光單元點(diǎn)亮?xí)r間實(shí)現(xiàn)的,。具體來講，由于是掃描顯示,，每個(gè)發(fā)光單元最多只有1/8的時(shí)間可以點(diǎn)亮,，如果這1/8的時(shí)間全部點(diǎn)亮，其效果就是最大亮度,，如果在這1/8的時(shí)間以內(nèi)仍有部分時(shí)間不亮,，則總體的顯示亮度就下降。顯示模塊從控制模塊接收環(huán)境亮度數(shù)據(jù),，調(diào)節(jié)這個(gè)點(diǎn)亮?xí)r間的比例,，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)亮度的功能。
控制模塊的程序包括與顯示模塊的I2C通信,，與EEPROM的I2C通信,，與計(jì)算機(jī)的串行通信，數(shù)據(jù)的地址計(jì)算,，外界光強(qiáng)度檢測(cè)幾個(gè)部分,。
兩個(gè)I2C通信部分和串行通信由硬件支持，比較容易。外界光強(qiáng)度傳感器直接把光強(qiáng)轉(zhuǎn)化成頻率送入CPU,，所以只要定時(shí)計(jì)數(shù)即可,。比較復(fù)雜的部分是數(shù)據(jù)的地址計(jì)算。由于本系統(tǒng)的自由度,、數(shù)據(jù)使用索引的辦法在EEPROM中存儲(chǔ),，地址計(jì)算邏輯上簡(jiǎn)單但實(shí)現(xiàn)起來比較繁復(fù)，要對(duì)每個(gè)顯示模塊發(fā)送不同的內(nèi)容,。對(duì)于滾動(dòng)顯示的情況則更加復(fù)雜,。
如果是靜態(tài)顯示，則控制模塊僅接收到命令后傳送一次數(shù)據(jù)就進(jìn)入空閑等待:如果是閃爍,、滾動(dòng)等顯示,，則需要定時(shí)從EEPROM中取數(shù)據(jù)發(fā)往各顯示模塊。
PC機(jī)部分的程序主要是點(diǎn)陣編輯功能和RS232通信功能,。點(diǎn)陣編輯不僅可以寫各種字體的字符,，還可以繪制簡(jiǎn)單圖形;RS232通信不僅包括所有可以用鍵盤實(shí)現(xiàn)的功能外，還可以直接在顯示屏上顯示圖形而不用先保存到控制模塊中,，實(shí)現(xiàn)即時(shí)的信息發(fā)布,。
本系統(tǒng)對(duì)常用的LED大屏幕顯示裝置作了規(guī)范化、模塊化的有益嘗試,，并已應(yīng)用在交通狀況顯示場(chǎng)合，取得了良好效果,，證明該設(shè)計(jì)是合理可行的,。由于設(shè)計(jì)時(shí)為使用保留了很大自由度，使得它可以靈活組合運(yùn)用于各種不同需求的場(chǎng)合,，而不必重復(fù)設(shè)計(jì),，有效節(jié)約了資源。由于最初本系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一個(gè)比較小的顯示屏,，所以選用了I2C總線,，如果要做相當(dāng)大的顯示屏還可以換成RS485等總線，提供更大的擴(kuò)展余地,。此外基于這個(gè)設(shè)計(jì)思路,，還可以進(jìn)一步開發(fā)彩色LED大屏幕顯示屏等產(chǎn)品。
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